DE4106915A1 - Stromversorgungseinrichtung nach dem schaltreglerprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Schaltreglern mit geregelter Ausgangsspannung wird in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung die Impulsbreite eines Pulses geregelt, in dessen Takt eine Eingangsspannung zerhackt wird, die anschließend wieder geglättet wird.

In der Regel weisen Schaltregler einen Transformator auf zur Potentialtrennung. Auf dessen Primärseite findet die Zerhackung und auf der Sekundärseite die Gleichrichtung und Glättung statt.

Zusätzlich können Mittel zur Strombegrenzung vorgesehen sein, die beispielsweise einen Stromwandler zur Erfassung des zu begrenzenden Ausgangsstromes aufweisen. In Abhängigkeit von dem vom Stromwandler erfaßten Strom wird eine Pulsbreitenregelung im Sinne einer Strombegrenzung durchgeführt.

Wird anstelle eines Stromwandlers als Hilfsmittel für die Strombegrenzung ein anderes Steuerglied, beispielsweise ein Optokoppler, zur elektrischen Potentialtrennung und als Teil des Pulsbreitenregelkreises verwendet, so können sich bei der Strombegrenzung im Kurzschlußfall dadurch Schwierigkeiten ergeben, daß im Kurzschlußfall nicht nur die Ausgangsspannung desjenigen Ausgangskreises zusammenbricht, dessen Strom begrenzt werden soll, sondern zugleich auch die Versorgungsspannung des Optokopplers, welche für die Stärke der Strahlung verantwortlich ist, die zwischen dem Strahlungssender und dem Strahlungsempfänger des Optokopplers übertragen wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromversorgungseinrichtung nach dem Schaltreglerprinzip anzugeben, die eine Strombegrenzung im Ausgangskreis auch im Kurzschlußfall unter Einsatz eines potentialtrennenden Steuergliedes erlaubt, das einer Versorgungsspannung bedarf.

Diese Aufgabe wird durch die Stromversorgungseinrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Bevorzugt wird als Steuerglied ein Optokoppler benutzt. Das Längsstellglied kann entweder zusätzlich in eine der beiden Ausgangsleitungen des Ausgangskreises eingefügt sein, oder wenn ein solches Längsstellglied zur Spannungsregelung ohnehin vorgesehen ist, kann dieses im Kurzschlußfall zur Erzeugung eines Spannungsabfalls benutzt werden, der ersatzweise oder zusätzlich als Versorgungsspannung für das Steuerglied dient. Um im Kurzschlußfall einen hohen Spannungsabfall am Längsstellglied zu erhalten wird dessen Widerstand aufwärtsgesteuert. Um diese Aufwärtssteuerung auszulösen, kann entweder eine bei Kurzschluß stark absinkende Spannung oder ein durch den Kurzschlußstrom ansteigender Spannungsabfall herangezogen werden.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die Fig. 1 und 2 zeigen Schaltbilder, jeweils für den prinzipiellen Aufbau der Sekundärseite zweier Schaltregler.

In Fig. 1 ist von der Primärseite lediglich die Wicklung L11 eines Transformators zu sehen, dessen Sekundärwicklungen mit L12 bis L14 bezeichnet sind. Durch Dioden D11 und D12 wird die Sekundärspannung gleichgerichtet und mit Hilfe von Glättungskondensatoren C20 und C21 geglättet, so daß an den Ausgangsklemmen 1 und 2 eine Gleichspannung Ua zur Verfügung steht. Über einen Widerstand R40 ist der Verbindungspunkt der Sekundärwicklungen und Glättungskondensatoren auf Erdpotential gelegt.

Zur Spannungsregelung und Strombegrenzung ist primärseitig ein Pulsbreitenregler (nicht dargestellt) vorgesehen, der über einen Optokoppler Ok1 gesteuert wird, von dem nur die sekundärseitige Photodiode dargestellt ist. Die Stärke ihrer Emission richtet sich nach ihrem Strom, den sie von einer Stromschiene 51 zu einer Stromschiene So aufgrund einer Hilfsspannung Uh1 leitet. Zur Erzeugung der Hilfsspannung dient die Sekundärwicklung L14 in Verbindung mit einer Diode D13, Widerständen R41 und R42 und einem Glättungskondensator C22.

Der von S1 über Ok1 und einen Widerstand R51 fließende Strom kann über eine Diode D2 und einen Operationsverstärker Ou oder über eine Diode D3 und einen anderen Operationsverstärker Oi zur Stromschiene So fließen.

Wenn die Ausgangsspannung Ua über ihren Sollwert steigt, soll im Sinne einer Herunterregelung der Ausgangsspannung die Emission der Photodiode gesteigert werden. Dies geschieht auf folgende Weise: Die Ausgangsspannung Ua wird durch einen Spannungsteiler R48-R47 heruntergeteilt und in einem Operationsverstärker Ou verglichen mit einer Referenzspannung, die an einem Spannungsteiler R44 bis R46 abgegriffen wird, der an der Hilfsspannung Uh1 liegt. Diese ist durch einen Querregler Q, der in Serie zu einem Widerstand R43 liegt, stabilisiert. Je mehr die Ausgangsspannung Ua ansteigt, desto mehr Photodiodenstrom fließt über D2, Ou und dessen Stromversorgungsleitung Z1. R49 und C24 sind übliche Bauelemente zur Gegenkopplung des Operationsverstärkers.

Steigt der von der Ausgangsklemme 2 kommende Strom I1 unzulässig an, so soll der Photodiodenstrom ebenfalls gesteigert werden. Hierzu wird der Spannungsabfall an einem Widerstand R53 in der Stromschiene So abgegriffen und über R54 dem invertierenden Eingang des weiteren Operationsverstärkers Oi zugeführt, wo er mit einer Referenzspannung verglichen wird, die von R46 abgegriffen ist. R52 und C25 sind wieder übliche Gegenkopplungsbauelemente. Steigt I1 unzulässig an, so fließt über D3 und Oi ein erhöhter Photodiodenstrom mit der Folge, daß die Impulsbreite durch den Pulsbreitenregler auf der Primärseite im Sinne einer Spannungsabsenkung reduziert wird.

Tritt zwischen den Ausgangsklemmen 1 und 2 ein Kurzschluß auf, so fließt zwar ein sehr hoher Strom I1, und Oi schaltet den Photodiodenstrom durch. Im Kurzschlußfall bricht aber neben Ua auch Uh1 zusammen, so daß trotz des Durchschaltens nicht genügend Photodiodenstrom zur ausreichenden Herunterregelung von Ua fließen kann. Hier kommt nun ein Längsstellglied F1 in der Ausgangsleitung So-2 zum Zuge. Zu seiner Steuerung wird die zusammenbrechende Hilfsspannung Uh1 herangezogen: Solange nämlich diese Hilfsspannung noch nicht zusammengebrochen war, leitet ein Transistor T1 infolge des Spannungsabfalls an dem Widerstand R43. Bei leitendem T1 hat der Verbindungspunkt zwischen dem Gate des Feldeffekttransistors F1 und einem Widerstand R55 fast das Potential der Stromschiene S1. Bricht nun infolge Kurzschluß zwischen den Klemmen 1 und 2 die Spannung Ua zusammen, so wird die Photodiode Ok1 nicht mehr von L14 gesperrt. T1 wird soweit gesperrt, daß Uh1 über eine Diode D1 aufrecht erhalten und über Q geregelt wird, wobei F1 als Stellglied dient. Dabei ist zu berücksichtigen, daß im Kurzschlußfall infolge des Spannungsabfalls an F1 an Klemme 2 ein gegenüber der Stromschiene So positives Potential liegt. Es kann nun ein Photostrom über D3, Oi fließen, der zu einer Herunterregelung von Ua so weit führt, daß der Kurzschlußstrom ausreichend begrenzt wird.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Schaltreglers mit mehreren Ausgangskreisen gezeigt, die an Sekundärwicklungen L8, L9 bzw. L10 angeschlossen sind. Die Primärwicklung ist mit L7 bezeichnet. An den Ausgangsseiten der Sekundärseiten ist für die drei Ausgangskreise eine gemeinsame Erdpotentialklemme E vorgesehen. Gegenüber dieser Klemme hat die Klemme 5 positives und die Klemmen 4 und 3 negatives Potential, wie die Spannungspfeile U3 bis U5 verdeutlichen. Die Gleichrichtung und Glättung erfolgt mit Hilfe von Dioden V1, V2, V4, Glättungskondensatoren C1, C4, C5, Drosseln L1, L2, L5, L6, Siebkondensatoren C55 bis C58.

Als Steuerglied ist wieder ein Optokoppler OK2 vorgesehen. Der Ausgangskreis mit der Klemme 4 ist für größere Ströme vorgesehen als derjenige mit der Klemme 5. Dementsprechend übernimmt der mittlere der drei Ausgangskreise mit seiner Ausgangsspannung U4 bei der Spannungsregelung eine führende Rolle. Wird U4 zu groß, so wird ein Querregler N22 niederohmig und steuert einen stärkeren Photodiodenstrom über R4 zu einer Stromschiene 54 an der Klemme 4 (minus 5 Volt). Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Anode der Photodiode Ok2 positives Potential infolge eines Spannungsabfalles an M erhält, den der Strom 13 in einer Stromschiene Se im unteren Ausgangskreis verursacht.

Da bei unzulässig hoher Ausgangsspannung U4 die Emission der Photodiode ansteigt und die Impulsbreite des hier nicht gezeigten, primärseitigen Pulsbreitenreglers reduziert, wird U4 wunschgemäß auf den Sollwert zurückgeführt. Die Spannungen U_c1 und U_c5 werden mitgeführt. Allerdings hat der untere Ausgangskreis noch einen eigenen Regelkreis unabhängig vom Optokoppler mit einem Querregler N25 und einem Reglerbaustein H, worauf aber hier nicht näher eingegangen werden soll.

Stattdessen wird der obere Ausgangskreis näher betrachtet. Er hat ebenfalls einen eigenen Regelkreis mit einem Längsstellglied V53. Steigt U5 unzulässig an, so wird ein Querregler N21 niederohmig, der mit R8 einen Spannungsteiler bildet. Dessen Abgriff ist mit der Basis eines Transistors V54 verbunden, der einen Emitterwiderstand R7 aufweist. Wird mit steigender Spannung US der Querregler N21 niederohmiger, so wird V54 stärker leitend gesteuert. Da V54 mit R7 und R18 einen Spannungsteiler bildet, verschiebt sich das Potential an dessen Abgriff A in Richtung auf das Potential der Stromschiene S5, so daß der Transistor V53, welcher das Längsstellglied bildet, höherohmig gesteuert wird. Der infolgedessen am Längsstellglied V53 verstärkt auftretende Spannungsabfall führt zur gewünschten Verminderung der Ausgangsspannung U5.

Zur Strombegrenzung ist im oberen Ausgangskreis zusätzlich in Serie zum Längsstellglied V53 ein Meßwiderstand R15 vorgesehen, an welchem ein Spannungsabfall U15 auftritt. Steigt der Strom 15, der im wesentlichen auch durch R15 fließt, unzulässig an, so wird über einen Widerstand R14 das Basispotential eines Transistors V51 erhöht und dessen Leitfähigkeit gesteigert, so daß verstärkt Strom über den Optokoppler Ok2, den Widerstand R4 und den Transistor V51 fließen kann. Über die Pulsbreitenregelung erfolgt daher eine Absenkung der Spannung U5. Gleichzeitig mit U5 werden die mitgeführten Spannungen U4 und U_c5 abgesenkt.

Im Kurzschlußfall ist diese Absenkung maximal, so daß die Speisespannung Uh2 für den Optokoppler OK2 nicht mehr groß genug wäre, wenn nicht über den Spannungsteiler R17, R18 der Transistor V53 hochohmiger gesteuert würde. Während sich im Normalfall die Speisespannung Uh2 des Optokopplers aus dem Spannungsabfall an M und der Spannung U4 bildet, besteht Uh2 im Kurzschlußfall aus dem erhöhten Spannungsabfall an V53 und den Spannungsabfällen an R15 und M.

Auf diese Weise wird das für die Regelung der Ausgangsspannung U5 ohnehin vorgesehene Längsstellglied VS3 im Kurzschlußfall zur Ersatzspannungsquelle für die Versorgung von OK2 umfunktioniert.

Claims (5)

1. Stromversorgungseinrichtung nach dem Schaltreglerprinzip mit wenigstens einem Ausgangskreis für eine geregelte Ausgangsspannung (Ua; U5) und mit Mitteln zur Strombegrenzung für diesen Ausgangskreis (L12, L13 ... Ua; L8 ... U5), die folgendes aufweisen: ein elektrisches Potential trennendes Steuerglied (Ok1; Ok2) in einem Regelkreis zur Pulsbreitenregelung in Abhängigkeit von dem zu begrenzenden Strom (I1; I5) im genannten Ausgangskreis, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Steuerglied (Ok1, Ok2) von einer gesteuerten Versorgungsspannung (Uh1, Uh2) versorgt ist, die der genannte oder ein anderer Ausgangskreis liefert und die daher bei Kurzschluß im genannten Ausgangskreis (L12, L13 ... Ua; L8 US) stark absinkt,
• - daß im genannten Ausgangskreis ein Längsstellglied (F1; V53) vorgesehen ist, dessen Widerstand bei Kurzschluß aufwärts steuerbar ist und
• - daß der Spannungsabfall am Längsstellglied im Kurzschlußfall ersatzweise oder zusätzlich als Versorgungsspannung für das Steuerglied (Ok1, Ok2) dient.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied (Ok1, Ok2) ein Optokoppler ist.

3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Längsstellglied zugleich Längsstellglied (V53) in einem Spannungsregelkreis ist (Fig. 2).

4. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufwärtssteuerung des Widerstandes des Längsstellgliedes (F1) bei Kurzschluß eine bei Kurzschluß stark absinkende Spannung (Uh1) herangezogen ist (Fig. 1).

5. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufwärtssteuerung des Widerstandes des Längsstellgliedes (V53) bei Kurzschluß ein durch den Kurzschlußstrom ansteigender Spannungsabfall (U15) herangezogen ist (Fig. 2).